碳纖維輪圈與複材編織技術應用
摘要：碳纖複合材料具有質量輕、高強度、高剛性之優異機械特性，近年來因電動車產業興起，車輛重量的減輕對於電動車輛的續航力與性能均有非常大的幫助，因此業界開始大幅應用複材進行產品及零組件設計，以達到減重節能的功效，其中輪圈佔了車輛總重的8~10%，自然成為許多廠商開發的標的之一，然而傳統以人工疊貼成型已難以滿足巿場上急需穏定量產之模式，本文將針對碳纖維論圈的市場與製造議題進行簡介，並帶領讀者了解近年開始被應用於輪框製作的複材徑向編織技術(braiding)，與工業技術研究院近期的開發成果。
Abstract：Carbon fiber composite materials have excellent mechanical properties such as light weight, high strength, and high rigidity. In recent years, due to the rise of electric vehicle industry, the reduction of vehicle weight has greatly helped the endurance and performance of electric vehicles. Therefore, the industrial use of composite materials has increased significantly to achieve the effect of weight reduction and energy saving. Wheel rims account for 8~10% of the total vehicle weight. Thus, how to reduce the weight of rims becomes significantly important. However, the traditional manual lamination molding is difficult to meet the urgent need for quantitative production. This article will introduce the market and manufacturing issues in the carbon fiber rim, and the emerging composite radial weaving technology in recent years. Finally, recent development in carbon fiber rim prototyping of the Industrial Technology Research Institute is introduced.
關鍵詞：複合編織、疊層貼合、輪圈
Keywords：Composite braiding, Lay-up, Rim
前言
近年全球市場的電動車輛銷售受惠於於環保議題的發酵與各國政府獎助政策，自2014年以來每年均有近六成以上的成長率，單以2018年其銷售已超過二百萬輛。根據法國汽車產業研究中心INOVEV的資料，在需求與政策面的推動下，中國大陸已成為電動車輛的主要市場，並訂定了2030年電動汽車銷量應佔總量30%以上的目標，因此複合材料廠商也在國家政策推動下積極投入汽車領域相關應用[1]。
輕量化有助於提高能源效益，其中電動車輛受到電池自重以及周邊零組件（變頻器、馬達、充放電以及散熱元件等）重量影響，更重視輕量化的議題，因此對於使用高分子複合材料接受度較高，加上其屬於新興產品，市場對於價格較不敏感，提供了複合材料應用的發展契機。
如表1所示，在各項車輛組件的應用當中，使用傳統輪圈的車輪其質量占比達全車重量的8~9% [2]，身為車輛唯一與地面接觸的零件，同時也是簧下荷重（包括車輪、懸吊搖臂、煞車系統）的主要部分，輪胎與輪圈的減重對於節能與性能提昇的效果都非常明顯，車輪的轉動慣量對車輛性能有著非常直接的影響，加上又屬於車輛外觀上最容易凸顯風格與質感的部分，因此各種輕量化的輪圈產品很早便被市場所接受，從最早期的鐵圈加蓋、鑄造鋁圈、鍛造鋁圈、多片式複合材質乃至於單體是全碳輪圈等設計均逐步朝更高強度且輕量的設計進行發展。
碳纖維材料與輪圈市場現況
Koenigsegg Agera R與ONE：1是世界上率先採用中空、單體式全碳纖維輪圈的民用車型，其採用Aircore空心技術，每個輪圈僅6公斤、同時也減少了20%的簧下重量，不過由於其製作工藝複雜，一套這樣的輪圈配上米其林Pilot Sport Cup 2輪胎要價60,000歐元[2]。
全碳纖維輪圈製造需要大量人工作業，以類似Koenigsegg類型的碳纖維輪圈框體為例，其具備了複雜的曲面造型，需要根據不同部位的曲率進行裁片設計，再透過作業人員手動將預浸完成碳纖材料進行貼合，完成後還必須進行真空灌注與烘烤，而後再經過脫模、粗細打磨、噴塗、拋光後輪圈才算完成，但還要再結合更複雜的輪幅、輪轂後才算是真正完整的輪圈。
Porsche則在2018年展示了以Herzog環形徑向編織機製作碳纖維輪圈的製造技術，其應用了目前全球最大、股數達288股的環形徑向編織機進行輪框製作，不同於以往的手工貼合作業，環形編織機可直接於模具表面完成整個框體的幾何製作，碳纖維直接平整的貼附於模面，並可透過張力、進給速度與編織機轉速來進行不同部位的編織角度調整，以對應不同的強度與機械性質要求。Porsche所展示的輪圈總計採用11英哩長的碳纖維絲材料，在編織機完成輪圈的雛形後，再經由RTM製程成形，經過冷卻、上保護漆、美化外觀等程序後完成。其單個碳纖維輪圈的重量約8～9公斤，相較於鍛造鋁圈其重量可減少40~50%之譜。除了重量減輕之外，其強度同時也較鋁合金產品提升達20%以上，由於應用了環形編織技術可大幅降低人工作業需求，整車輪圈套組的價格也大幅降低至16,000歐元，並使以往僅出現於訂製高級超跑的全碳輪圈產品，成為其量產車系的選配之一。
國內廠商亦未在碳纖維輪圈的浪潮中缺席，且不僅限於以往鋁製輪圈的業者，全球最大曲棍球運動用品製造商波力（Bonny）在2016年投入碳纖維輪圈的開發，並於2017年完成首款碳纖一體式輪圈，而後更在2019年通過美國SAE標準與寒帶測試；本業為橡膠輸送帶與行李箱產品的鑫永銓亦在2020年投入熱塑碳纖維輪圈的開發，並預計於新廠完工後二年內達到百萬顆以上的年產能[3]。
根據國際市場研究機構Markets and Markets 2019/12報告[4] 由於運具、建築與各項產業應用蓬勃發展，如圖1所示全球複合材料市場規模預計2024年會達到1316億美元，其複合年增長率為7.7％。其中高模數碳纖維材料的用量佔比會逐漸增加， Markets and Markets針對碳纖維市場的報告[4]中透露碳纖維市場將會在2029年達到133億美元，為複合材料中增幅較大者。
圖1 複材巿場規模預測圖[4]
由於大多數複合材料的強度重量比都高於鋼和鋁，在製造與生產條件改善，自動化程度提升的推進下，逐漸達到量產規模並部分取代傳統的鋼和鋁零件，其中汽車行業有望成為全球複合材料的最大市場。除此之外，由於碳纖維複合材料在要求極端強度重量比的航空發動機產業組件，如風扇葉片、旋轉器、推力反向器、排氣管和發動機零件，仍會是主要大量應用的材料。
…本文未結束
更完整的內容 歡迎訂購 2021年5月號 458期
機械工業雜誌‧每期240元‧一年12期2400元
我要訂購